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    工作面巷道支護(hù)機(jī)理的研究及應(yīng)用

    2020-03-14 10:26:00
    機(jī)械管理開(kāi)發(fā) 2020年1期
    關(guān)鍵詞:西銘錨索受力

    郝 旭

    (西山煤電股份有限公司西銘礦, 山西 太原 030052)

    引言

    隨著采煤技術(shù)和綜采設(shè)備自動(dòng)化水平的不斷提升,對(duì)工作面巷道支護(hù)技術(shù)及質(zhì)量提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。尤其在地質(zhì)條件復(fù)雜化、巷道埋深增加、開(kāi)采深度及強(qiáng)度不斷增加等復(fù)雜的形勢(shì)下提升了巷道支護(hù)的難度。經(jīng)研究表明,我國(guó)綜采工作面巷道支護(hù)經(jīng)歷了木支護(hù)、砌碹支護(hù)、錨桿支護(hù)等過(guò)程[1-3]。與其他支護(hù)方式相比,錨桿支護(hù)由于其支護(hù)效果佳、支護(hù)成本低、作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)勢(shì)目前被廣泛應(yīng)用于綜采工作面巷道的支護(hù)中,成為巷道支護(hù)的首選方式。本文以西銘礦為研究對(duì)象,在分析巷道支護(hù)機(jī)理的基礎(chǔ)上,針對(duì)西銘礦西部下組煤回風(fēng)巷的支護(hù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

    1 工作面概述

    西銘礦西部下組煤回風(fēng)巷所掘8號(hào)煤層節(jié)理發(fā)育,結(jié)構(gòu)復(fù)雜;8號(hào)煤上分層厚度0.55~1.0 m,平均0.60 m;煤層上部夾石為0.10~4.3 m,平均2.5 m左右頁(yè)巖。下分層煤層厚度2.40~3.50 m,平均2.95 m,下部夾0.2 m左右的頁(yè)巖或炭質(zhì)頁(yè)巖,厚度變化不大,屬單一穩(wěn)定的中厚煤層。根據(jù)西部下組煤膠輪車巷瓦斯涌出量資料預(yù)測(cè)該工作面掘進(jìn)期間瓦斯絕對(duì)涌出量為2 m3/min。工作面所屬采區(qū)及開(kāi)采煤層無(wú)瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象,無(wú)煤與瓦斯突出現(xiàn)象。工作面所采煤層經(jīng)鑒定屬于有煤塵爆炸性,爆炸性指數(shù)為15.38%,自燃傾向性為Ⅱ級(jí),屬自燃煤層。地溫為8~9℃。工作面局部壓力較大。

    該工作面煤層頂板和底板情況如表1所示。

    通過(guò)對(duì)該巷道的礦壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)得出:該巷道垂直方向的應(yīng)力平均值為12.72 MPa,水平方向的應(yīng)力平均值為6.23 MPa。

    表1 工作面煤層頂板、底板情況

    2 支護(hù)技術(shù)研究

    2.1 支護(hù)分析

    結(jié)合西銘礦西部下組煤回風(fēng)巷的地質(zhì)、水文以及煤層特征,基于FLAC3D軟件搭建該巷道內(nèi)的仿真模型,并對(duì)其應(yīng)力分布和位移變化規(guī)律進(jìn)行仿真分析,進(jìn)而確定該巷道支護(hù)方案?;贔LAC3D所搭建的數(shù)值模擬模型如圖1所示。

    圖1 回風(fēng)巷道數(shù)值模擬模型

    該巷道煤柱內(nèi)圍巖應(yīng)力分布仿真結(jié)果如下頁(yè)圖2所示。

    如圖2所示,煤柱內(nèi)圍巖應(yīng)力在垂直方向最大值為72 MPa,遠(yuǎn)大于圍巖應(yīng)力值12.72 MPa;煤柱內(nèi)圍巖應(yīng)力在水平方向最大值為10.88 MPa,遠(yuǎn)大于圍巖應(yīng)力值6.23 MPa。經(jīng)數(shù)值模擬分析可知,該巷道圍巖在垂直方向?yàn)閼?yīng)力增高區(qū)。因此,該巷道需采用錨桿+錨索的支護(hù)方案才能起到支護(hù)效果,才能夠控制巷道圍巖的應(yīng)力,避免由于應(yīng)力集中造成對(duì)巷道的破壞。

    圖2 數(shù)值模擬結(jié)果

    2.2 支護(hù)原則

    經(jīng)對(duì)錨桿支護(hù)應(yīng)力曲線和巷道圍巖響應(yīng)曲線分析后,若想錨桿支護(hù)達(dá)到最佳支護(hù)效果應(yīng)采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)的策略。具體從以下幾個(gè)方面著手強(qiáng)化錨桿支護(hù)的效果和質(zhì)量[4]:

    1)確保巷道圍巖的整體性,將不連續(xù)變形控制到最??;

    2)根據(jù)工作面實(shí)際情況確定錨桿支護(hù)的最佳預(yù)應(yīng)力,并采用鋼帶、金屬網(wǎng)等護(hù)件將支護(hù)預(yù)應(yīng)力的效果發(fā)揮到最佳;

    3)根據(jù)工作面實(shí)際情況確定錨桿支護(hù)系統(tǒng)的臨界支護(hù)剛度,要求錨桿支護(hù)剛度大于或等于臨界支護(hù)剛度,進(jìn)而使巷道圍巖變形得到有效控制[5]。

    3 錨桿支護(hù)的應(yīng)用

    3.1 工作面條件的分析

    工作面上覆石灰?guī)r含水層局部富含裂隙水,施工中會(huì)有淋水出現(xiàn),局部淋水較大,對(duì)掘進(jìn)有一定影響,在工作面要配備排水能力不小于30 m3/h的排水設(shè)備,加強(qiáng)排水。

    工作面?zhèn)雾敒轫?yè)巖,破碎易冒落;直接頂石灰?guī)r局部地段裂隙發(fā)育;8號(hào)煤上夾石最厚處4.3 m縱向節(jié)理特別發(fā)育,在掘進(jìn)施工中(特別是遇斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)),要采取相應(yīng)的安全措施,加強(qiáng)煤幫及頂板管理,確保施工安全。

    3.2 巷道支護(hù)工藝的設(shè)計(jì)

    通過(guò)對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)(錨桿長(zhǎng)度、錨桿直徑、頂錨桿間距、頂錨桿排距、幫錨桿間距、幫錨桿排距)的計(jì)算,設(shè)計(jì)如下支護(hù)工藝。(由于篇幅有限,此處不對(duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明)巷道為矩形斷面,頂部采用錨桿、鋼筋網(wǎng)(規(guī)格2 400 mm×1 600 mm)、長(zhǎng)4.6 m W型四眼鋼帶、錨索聯(lián)合支護(hù),頂錨桿矩形布置,間排距1 400 mm×1 500 mm。護(hù)幫采用錨桿、鋼筋網(wǎng)(規(guī)格1 100 mm×3 700 mm)聯(lián)合支護(hù),幫錨桿矩形四排布置,間排距1 000 mm×1 000 mm,上排距頂300 mm。錨索采用Φ17.8 mm×5 400 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線,單排間距3 m,線形布置,垂直頂板打設(shè)在兩排錨桿中間。初噴距工作面不超過(guò)12 m,復(fù)噴距工作面最大距離不超過(guò)100 m。

    3.3 支護(hù)效果分析

    將所設(shè)計(jì)的支護(hù)工藝應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中,并對(duì)應(yīng)用后的礦壓和錨桿錨索受力情況進(jìn)行檢測(cè)。工作面各點(diǎn)錨桿的受力情況如圖3所示。

    圖3 工作面錨桿受力情況

    如圖3所示,1號(hào)、4號(hào)錨桿為對(duì)巷道兩幫支護(hù)的錨桿,2號(hào)、3號(hào)錨桿為對(duì)巷道頂部支護(hù)采用的錨桿,5號(hào)錨索應(yīng)用于頂板支護(hù)中。分析圖3可知,在支護(hù)前期錨桿和錨索的受力相對(duì)穩(wěn)定,隨著距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置越來(lái)越近,錨桿和錨索的受力上浮,并有一定的波動(dòng),存在突變現(xiàn)象。但是,錨桿和錨索全部處于拉斷載荷范圍之內(nèi)。

    4 結(jié)語(yǔ)

    錨桿支護(hù)作為目前支護(hù)效果最佳、應(yīng)用最廣泛的巷道支護(hù)形式之一。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)工作面實(shí)際情況確定錨桿支護(hù)的預(yù)應(yīng)力,以達(dá)到高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)的目的。

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